Năm 1986, tàu không gian Voyager 2 bay liên hành tinh đã lướt qua Sao Thiên Vương. Cho đến nay đến là con tàu duy nhất bay qua hành tinh này ở khoảng cách ngắn, và cũng chưa có một kế hoạch gửi một tàu nào đến thăm dò nó. Phóng lên năm 1977, Voyager 2 bay gần Sao Thiên Vương nhất vào ngày 24 tháng 1 năm 1986, cách những đám mây trên cao của hành tinh ở khoảng 81.500 kilômét, trước khi tiếp tục bay lướt qua Sao Hải Vương. Voyager 2 đã nghiên cứu cấu trúc và thành phần hóa học trong khí quyển,[64] bao gồm đặc điểm thời tiết kỳ lạ so độ nghiêng trục quay 97,77°Của hành tinh. Nó cũng chụp ảnh và quan trắc năm vệ tinh lớn nhất của Sao Thiên Vương, và khám phá ra thêm 10 vệ tinh mới. Con tàu cũng khảo sát 9 vành đai đã biết và phát hiện thêm 2 vành mới.[14][78][115] Voyager 2 cũng mang theo thiết bị nghiên cứu từ trường hành tinh, cấu trúc bất thường của nó, độ nghiêng trục quay và đuôi từ xoắn ốc của Sao Thiên Vương.[86]

Các nhà khoa học từng đề xuất kế hoạch gửi tàu Cassini đến Sao Thiên Vương trong hội nghị về mở rộng chương trình thám hiểm của tàu năm 2009 nhưng cuối cùng kế hoạch này bị hủy bỏ.[116] Nếu gửi đi, con tàu sẽ mất khoảng 20 năm hành trình từ Sao Thổ đến Sao Thiên Vương.[116] Một tàu quay quanh hành tinh và thiết bị thăm dò khí quyển Sao Thiên Vương cũng được đề xuất trong hội nghị kế hoạch Khảo sát thế kỷ Khoa học Hành tinh giai đoạn 2013–2022 vào năm 2011; với kế hoạch phóng tàu vào năm 2020–2023 và thời gian hành trình 13 năm đến Sao Thiên Vương.[117] Thiết bị thả xuống khí quyển Thiên Vương Tinh có thể sử dụng kiểu thiết kế của thiết bị "Pioneer Venus Multiprobe" và thả rơi 1 đến 5 thiết bị vào khí quyển hành tinh này.[117] Cơ quan ESA cũng đã đánh giá một phi vụ lớp trung bình gọi là "Uranus Pathfinder".[118] Một tàu quỹ đạo "New Frontiers Uranus Orbiter" đã được nêu ra và khuyến nghị trong chương trình nghiên cứu, The Case for a Uranus Orbiter.[119] Những phi vụ này có đề xuất gửi một tàu với khối lượng trên 1500 kg bằng tên lửa Atlas 521 với hành trình khoảng 12 năm.[120]